Основные факторы обледенения

Широкое применение авиации в деятельности человека вызывает большие проблемы по безопасности полетов и, в частности, защиты летательных аппаратов от обледенения. Обледенение самолетов и вертолетов происходит в атмосфере, содержащей влагу при отрицательных температурах. Следует отметить, что вода может находиться в жидкой фазе до температуры минус 65ºС.

Обледенение является процессом ледяных образований на некоторых поверхностях летательного аппарата. Это может привести к существенным осложнениям полета – вплоть до катастрофы.

Рис. 7.1. Схема обтекания профиля воздушным потоком, содержащим переохлажденные капли ––– линия тока; - - - траектории капель; заштрихованная область – зона, содержащая капли, оседающие на профиль

Процесс кристаллизации воды (переход в лед) осуществляется с большой скоростью и инициируется образованием центров кристаллизации. В качестве таких центров кристаллизации могут быть инородные тела (пылинки и пр.), соприкосновение с поверхностью и т.д.

Наибольшая вероятность обледенения возникает при полете в облаках с повышенным содержанием влаги. Наиболее благоприятная температура для обледенения составляет от 0°С до -20°С. Особо следует отметить возможность образования наледи на входных участках воздухозаборников двигателей при температурах от 0°С до +10°С. Это объясняется адиабатическим расширением воздуха, вызывающим одновременное понижение его температуры. При этом одновременно происходит конденсация паров, находящихся в воздухе. Это усиливает возможность обмерзания обтекаемых участков воздухозаборников и даже лопаток первых ступеней компрессора.

Образование льда на поверхностях летательного аппарата является следствием двух процессов – соударением переохлажденных капель с поверхностью и последующим их растеканием и замерзанием. Зоны возникновения обледенения дает картина обтекания влажным воздухом профиля крыла.

В дозвуковом полете атмосферный воздух распределяется вокруг лобовой поверхности крыла так (см. рис. 7.1), что линии тока существенно искривляются у передней кромки и затем следуют примерно кривизне профиля. Водные капли, в силу большей инертности, движутся по траектории меньшей кривизны, формируя вдоль обтекаемой поверхности слой воздуха с повышенной концентрацией водных капель. Существенная часть капель концентрируется на лобовой поверхности профиля. Оставшаяся часть потока, протекая по передней поверхности крыла, замерзает на его поверхности.

Величина зоны улавливания зависит в основном от скорости полета и диаметра капель – чем выше скорость и больше диаметр капель, тем больше зона улавливания и тем большая доля воды, содержащейся в воздухе, оседает на передней кромке. Уменьшение относительной толщины профиля и радиуса закругления передней кромки также приводит к увеличению размеров зоны улавливания (растекания). По этой причине при острых кромках, характерных для профилей сверхзвуковых самолетов, может быть захвачено до 90% водяных капель, содержащихся в воздушном потоке, в то время как относительно толстый дозвуковой профиль может захватить всего около 15%капель.

Обычно величина зоны захвата не превышает 5...6%хорды профиля, а диаметр капель, оседающих на поверхности, лежит в диапазоне от 5 до 75 мкм.

Размеры зоны растекания воды по поверхности зависят от температуры, скорости полета, способа защиты от обледенения и ряда других факторов.

В совокупности зона улавливания и зона растекания составляют зону защиты профиля, минимальный размер которой ограничен зоной улавливания, а максимальный — обычно не превышает 15% хорды профиля.

Кроме указанных выше температуры окружающей среды и диаметра переохлажденных капель существенное влияние на процесс обледенения оказывают водность окружающей среды и связанная с ней интенсивность обледенения. Под водностью окружающей среды понимается масса воды, находящейся в капельножидком состояний, в одном кубическом метре объема.

Интенсивность обледенения — это скорость образования льда, характеризующаяся изменением толщины ледяного слоя в единицу времени. Интенсивность обледенения зависит oт водности окружающего воздуха, а также диаметра переохлажденных капель.

Обледенение ЛА чаще всего происходит при прохождении атмосферных облачных фронтов. С точки зрения возникновения обледенения из всего многообразия облачных образований следует выделить две их разновидности — слоистые и кучевые облака.

Слоистые облака могут иметь толщину от 200 до 2000 м, по фронту достигать размера до 1000 км, а их протяженность может находиться в пределах от 200 до 900 км. По своей структуре это в основном капельные, иногда с примесью кристаллов льда, облака с диаметром капель от 3 до 20 мкм. Средняя водность слоистых облаков составляет около 0,18 г/м³,интенсивность обледенения может, достигать 2 мм/мин, а вероятность его возникновения – до 85%.

Кучевые облака могут иметь толщину до нескольких километров, по фронту имеют размер до 20...30 км и, как правило, идут грядами в зоне, имеющей протяженность от 30 до 100 км от фронта. По своей структуре – это капельные облака с диаметром капель около 12 мкм. Средняя величина водности в кучевых облаках составляет около 0,36 г/м³, интенсивность обледенения в верхней части облака достигает 5 мм/мин, а вероятность обледенения около 70%.

7.2. Виды и формы льдообразований

Ледяные наросты, образующиеся на частях летательных аппаратов, весьма различны и зависят от воздействия комплекса многих факторов, таких как размер переохлажденных капель, температура среды и скорость полета. Все многообразие встречающихся льдообразований можно классифицировать по форме и характеру внешней поверхности. Наиболее распространенные формы образования льда на поверхности летательного аппарата представлены на рис.7.2.

Рис.7.2. Формы образования льда. а – клинообразна; б – желобообразная; в – рогообразная; г - промежуточная

Жолобооразный ледяной нарост образуется при относительно небольших отрицательных температурах наружного воздуха от (0 до -7)°С. Его форма объясняется тем, что в этих условиях капли воды замерзают не сразу, а растекаются по поверхности. В результате растекания водяных капель по поверхности ЛА образуются два ледяных барьера, в значительной степени искажающих форму профиля. Если скорость полета ЛА достаточно велика, для того чтобы температура торможения потока в области передней кромки профиля была положительной, то образуется разновидность жолобообразной формы – рогообразный нарост, вызванный кинетическим нагревом.

Характерной чертой этого вида льдообразования является его значительное распространение по хорде, т. е. большая зона захвата. Лед, образующийся в этом случае на поверхности ЛА, как правило, прозрачный, стекловидный и не имеет воздушных включений.

В диапазоне температур окружающего воздуха от -7°С до -10°С равновероятно образование льда любой из указанных, а также промежуточных форм.

Клинообразная форма нароста образуется при температуре наружного воздуха (-10...-15)°С и ниже. В этом случае капли воды, попадающие на поверхность ЛА, замерзают практически мгновенно. Характерным свойством такого льда является практически полное отсутствие зоны растекания капель. Между замерзшими каплями остаются воздушные полости, поэтому на вид такой лед обычно бывает матовым, имеет шероховатую поверхность, и молочно-белый цвет.

Кроме рассмотренных видов «капельного» обледенения, известно обледенение в виде инея, т. е. легкого мелкокристаллического налета на поверхности, возникающего в результате, сублимации водяного пара. Данный вид обледенения особой опасности для аэродинамики летательных аппаратов не представляет.